CN110118645B - 一种半椭球反射面的光学性能综合评价方法 - Google Patents

一种半椭球反射面的光学性能综合评价方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种半椭球反射面光学性能综合评价方法。该方法包括整体面形检测和反射率测量；其中整体面形检测主要是在半椭球焦点A、B处分别放置漫透射板和第一相机；经过扩束准直的激光被分束镜分光，分束镜反射光入射至漫透射板，经散射后到达半椭球反射面，由半椭球反射面反射汇聚至第一相机；在分束镜透射光路上与焦点A等光程处摆放第二相机；第二相机、第一相机分别拍摄入射光斑、光斑共轭像；对比入射光斑与其共轭像，根据共轭像失真、模糊程度，对面形精度和表面粗糙度进行评价；反射率测量包括局部反射率测量和总反射率测量。本发明具有检测效率高、实施成本低、易操作、抗干扰、系统全面等优点。

Description

一种半椭球反射面的光学性能综合评价方法
技术领域
本发明属于光学测试技术领域，涉及一种半椭球反射面的光学性能综合评价方法，尤其适用于大口径半椭球反射面的整体面形、反射特性等光学性能的综合评价方法。
背景技术
半椭球反射面具有独特的空间结构，利用其共轭特性，可以提高光学系统性能并简化仪器结构，具有良好的应用前景。根据半椭球反射面工作原理，反射面的面形精度、表面粗糙度、膜层反射特性都是决定其应用效果的重要指标。
半椭球反射面属于二次非球面范畴，现有非球面性能分析以分项指标检测为主。其中，面形测量方法按原理分为接触式和非接触式两类。接触式测量有轮廓仪法、三坐标机法等，接触式测量技术成熟，但采样密度偏低且易划伤元件表面。所以，对于抛光镜面，更多地采用非接触式测量，常用的有传统干涉仪、剪切干涉仪、波带板干涉法、计算全息法、子孔径拼接法、相位恢复法、激光扫描法等。前六种方法基于干涉原理、测量精度高，但传统干涉仪、剪切干涉仪、波带板干涉法、计算全息法测量需制作补偿元件或全息图，补偿元件、全息图设计难度大、制作成本高，尤其是对大口径非球面；子孔径拼接法亦存在装置校准、图像处理较为繁琐等缺点。相位恢复法基于衍射原理，适用于大口径光学元件，但目前测量精度偏低、系统较复杂。激光扫描法是几何光线法中发展较好的一种，利用激光扫描元件表面，通过探测器测量获取激光反射角度或距离，解算得到待测件的面形，具有系统简单、稳定性好、通用性强等优点，但测量精度偏低。抛光镜面的表面粗糙度、膜层反射率一般取相同材质及工艺制作的小尺寸陪片的测量结果：目前镜面粗糙度测量较多地采用原子力显微镜，纵向分辨率可达到0.1nm，测量范围～104μm量级；膜层反射率通常采用分光光度计或利用关注波长或波段激光直接测量。
总的来说，目前可用于半椭球反射面性能分项指的标检测手段各有局限性，综合评价方法更为缺乏，限制了该类元件的光学性能提升与推广应用。
发明内容
本发明提出了一种半椭球反射面光学性能综合评价方法，综合整体面形和反射特性的测量，从而较全面地评价该类元件光学性能。
本发明的解决技术方案如下：
一种半椭球反射面的光学性能综合评价方法，包括整体面形检测和反射率测量；
a、整体面形检测的过程如下：
在半椭球焦点A、B处分别放置漫透射板和第一相机；经过扩束准直的激光被分束镜分光，分束镜反射光入射至漫透射板，经散射后到达半椭球反射面，由半椭球反射面反射汇聚至第一相机；在分束镜透射光路上与焦点A等光程处摆放第二相机；
第二相机、第一相机分别拍摄入射光斑、光斑共轭像；对比入射光斑与其共轭像，根据共轭像失真、模糊程度，对面形精度和表面粗糙度进行综合评价；
b、所述反射率测量包括局部反射率测量和总反射率测量；其中：
b1)局部反射率测量的过程如下：
设置透镜或透镜组，其焦点与半椭球反射面的焦点A重合，并在焦点B放置探测组件；经过扩束准直的激光通过透镜或透镜组聚焦至焦点A，然后再发散至半椭球反射面的待测区，经待测区反射汇聚进入焦点B处的探测组件；探测组件测量得到的光功率与入射光功率之比即为局部反射率；
根据检测需要，调节激光的入射角度与透镜或透镜组的位置，得到关注部位的局部反射率；
b2)总反射率测量的过程如下：
将漫透射板置于焦点A、探测组件放置于焦点B，经过扩束准直的激光入射到漫透射板，经散射后到达半椭球反射面，由半椭球反射面反射汇聚进入探测组件，探测组件测量得到的光功率与入射光功率之比乘以漫透射板的透过率即为总反射率。
所述整体面形检测，还可在漫透射板上绘制或铺设不透光的靶标图案，相应的将激光更换为均匀照明光，通过对比靶标图案与共轭像，对面形精度和表面粗糙度进行综合评价。
进一步的，所述局部反射率测量的过程中，可通过选用不同焦距的透镜或透镜组，调整检测面积的大小。
进一步的，所述整体面形检测、反射率测量涉及的激光分别采用所关注波长或波段的激光，配套相应的相机、探测组件。
进一步的，对于反射率测量，所述探测组件包括集光积分球、取样积分球和光探测器组成；集光积分球的入口位于焦点B处，集光积分球的出口与取样积分球的入口接通，取样积分球内设置有积分球挡片；光探测器设置于取样积分球的出口处；所述集光积分球用于收集汇聚光并进行初步匀化，取样积分球用于对从集光积分球出射的光进行二次匀化与取样，光探测器用于光信号测量。
进一步的，集光积分球的入口可以采用口径可调的结构。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明提出了一种半椭球反射面整体面形、反射特性综合评价的思路。
2、本发明具有检测效率高、实施成本低、易操作、抗干扰、系统全面等特点。
3、本发明的汇聚光功率测量方法能够简单有效地解决掠入射、离焦汇聚光的功率测量问题从而简化光路、降低测量不确定度、提高测量精度。该汇聚光功率测量方法还可用于其它掠入射、发散光束的匀化与测量。
4、本发明可用于其它共轭反射面光学性能的综合评价。
附图说明
图1是整体面形检测光路；
图2是局部反射率测量光路。
图3是总反射率测量光路。
其中，1—半椭球反射面；2—漫透射板；3—第一相机；4—经过扩束准直的激光；5—分束镜；6—第二相机；7—透镜或透镜组；8—探测组件；9—集光积分球；10—取样积分球；11—光探测器。
具体实施方式
本发明提出了一种半椭球反射面光学性能综合评价方法，可以达到全面评价该类元件光学性能的目的，评价内容包括反射面的整体面形检测、反射率测量两部分，同时提出了一种汇聚光尤其是掠入射、离焦汇聚光功率的测量方法。
一、整体面形检测方法
如图1所示，在焦点A、B处分别放置漫透射板2和第一相机3；经过扩束准直的激光4被分束镜5分光，分束镜反射光入射至漫透射板2，经散射后到达半椭球反射面1，由半椭球反射面1反射汇聚至第一相机3；在分束镜透射光路上与焦点A等光程处摆放第二相机6；利用第二相机6、第一相机3分别拍摄入射光斑和光斑共轭像；对比入射光斑与其共轭像，根据共轭像失真、模糊程度，对面形精度和表面粗糙度进行综合评价。若作为成像器件使用，可在漫透射板2上绘制或铺设不透光的靶标图案，相应的将扩束准直的激光4更换为均匀照明光，通过对比靶标图案与共轭像，对面形精度、表面粗糙度进行综合评价。
二、反射特性检测方法
反射率检测包括局部反射率测量和总反射率测量。
局部反射率测量：如图2所示，在焦点B放置探测组件，经过扩束准直的激光4通过透镜或透镜组7聚焦至焦点A，然后发散至半椭球反射面1的待测区，经待测区反射汇聚后进入探测组件8。探测组件8测量得到的汇聚光功率与入射光功率之比即为局部反射率。根据检测需要，调节激光的入射角度与透镜或透镜组7的位置，得到关注部位的局部反射率；通过选用不同焦距的透镜或透镜组，调整检测面积的大小。
总反射率测量：如图3所示，将漫透射板2置于焦点A、探测组件放置于焦点B，经过扩束准直的激光4入射到漫透射板2，经散射后到达半椭球反射面1，由半椭球反射面1反射汇聚后进入探测组件8，探测组件8测量得到的汇聚光功率与入射光功率之比乘以漫透射板2的透过率即为总反射率。
上述整体面形分析、反射率测量涉及的激光可采用所关注波长或波段的激光，配套相应波段使用的相机或探测组件。
上述漫透射板的作用在于发散光束，采用理想或接近理想的漫透射体；也可通过其它方式对光束进行发散，例如透镜、透镜组等，这些均属于漫透射板的等同替换，也应视为权利要求的保护范围。
本发明也可用于其它共轭反射面光学性能的综合评价，也应视为权利要求的保护范围。
三、汇聚光功率测量
通常半椭球反射面光学性能检测及其使用过程中，存在汇聚光掠入射、面形偏差导致汇聚光离焦等现象，利用常规单积分球测量汇聚光功率存在以下不足：其一，积分球内置挡光片无法杜绝汇聚光直接进入探测器；其二，在不增加光学元件的前提下，需通过增大激光入射孔尺寸提高汇聚光收集效率，相应地增大了积分球的尺寸；其三，若保持取样探测面积不变，积分球尺寸增大会导致探测信号强度降低、测量精度下降；在不增加光学元件的前提下，为保证探测信号强度，需增大探测器光敏面积，导致对探测器的要求较高。
为简化光路、降低测量不确定度、提高测量精度，本发明对探测组件8进行了优化：如图2、图3所示，本实施案例中，探测组件8由集光积分球9、取样积分球10和光探测器11组成；集光积分球9用于收集汇聚光并进行初步匀化，取样积分球10用于对从集光积分球9出射的光进行二次匀化与取样，光探测器11用于光信号测量。通过积分球组收集匀化取样，能够简单有效地解决掠入射、离焦汇聚光的功率测量问题。
上述集光积分球9的入口可以采用口径可调的结构。
上述汇聚光功率测量方法中的积分球组不限于双积分球。
上述汇聚光功率测量方法，也可以用于其它掠入射、发散光束的匀化与测量。

Claims (6)

1.一种半椭球反射面的光学性能综合评价方法，包括整体面形检测和反射率测量，其特征在于：
a、整体面形检测的过程如下：
在半椭球焦点A处放置漫透射板(2)；在半椭球焦点B处放置第一相机(3)；经过扩束准直的激光(4)被分束镜(5)分光，分束镜(5)反射光入射至漫透射板(2)，经散射后到达半椭球反射面(1)，由半椭球反射面(1)反射汇聚至第一相机(3)；在分束镜透射光路上与焦点A等光程处摆放第二相机(6)；
第二相机(6)拍摄入射光斑；第一相机(3)拍摄光斑共轭像；对比入射光斑与光斑共轭像，根据共轭像失真、模糊程度，对面形精度和表面粗糙度进行综合评价；
b、所述反射率测量包括局部反射率测量和总反射率测量；其中：
b1)局部反射率测量的过程如下：
设置透镜或透镜组(7)，其焦点与半椭球反射面(1)的焦点A重合，并在焦点B放置探测组件；经过扩束准直的激光(4)通过透镜或透镜组(7)聚焦至焦点A，然后再发散至半椭球反射面(1)的待测区，经待测区反射汇聚进入焦点B处的探测组件(8)；探测组件(8)测量得到的光功率与入射光功率之比即为局部反射率；
根据检测需要，调节激光(4)的入射角度与透镜或透镜组(7)的位置，得到关注部位的局部反射率；
b2)总反射率测量的过程如下：
将漫透射板(2)置于焦点A、探测组件放置于焦点B，经过扩束准直的激光(4)入射到漫透射板(2)，经散射后到达半椭球反射面(1)，由半椭球反射面(1)反射汇聚进入探测组件(8)，探测组件(8)测量得到的光功率与入射光功率之比乘以漫透射板(2)的透过率即为总反射率。
2.根据权利要求1所述的半椭球反射面的光学性能综合评价方法，其特征在于：所述整体面形检测，在漫透射板(2)上绘制或铺设不透光的靶标图案，相应的将激光(4)更换为均匀照明光，通过对比靶标图案与共轭像，对面形精度和表面粗糙度进行综合评价。
3.根据权利要求1所述的半椭球反射面的光学性能综合评价方法，其特征在于：所述局部反射率测量的过程中，通过选用不同焦距的透镜或透镜组，调整检测面积的大小。
4.根据权利要求1所述的半椭球反射面的光学性能综合评价方法，其特征在于：所述整体面形检测、反射率测量涉及的激光分别采用所关注波长或波段的激光，配套相应的相机、探测组件。
5.根据权利要求1所述的半椭球反射面的光学性能综合评价方法，其特征在于：对于反射率测量，所述探测组件(8)包括集光积分球(9)、取样积分球(10)和光探测器(11)；集光积分球(9)的入口位于焦点B处，集光积分球(9)的出口与取样积分球(10)的入口接通，取样积分球(10)内设置有积分球挡片；光探测器(11)设置于取样积分球(10)的出口处；所述集光积分球(9)用于收集汇聚光并进行初步匀化，取样积分球(10)用于对从集光积分球(9)出射的光进行二次匀化与取样，光探测器(11)用于光信号测量。
6.根据权利要求5所述的半椭球反射面的光学性能综合评价方法，其特征在于：所述集光积分球(9)的入口口径可调。
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